(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコン基板の異方性エッチングによって傾斜面からなる貫通孔を形成した基板と、単結晶シリコン基板の異方性エッチングによって凹部を形成した傾斜面を有する基板のそれぞれの複数枚を積層して前記貫通孔と前記凹部によって形成した測定空間と、前記測定空間にいずれかの基板に一体に形成した前記測定空間に位置する複数の発熱手段と複数の測温手段とを設けたことを特徴とする三軸加速度センサー。
【請求項２】
前記測定空間の中心に中心を一致させて配置した正八面体の頂点に位置するように発熱手段および測温手段を配置したことを特徴とする請求項１記載の三軸加速度センサー。
【請求項３】
前記発熱手段、前記測温手段がシリコン基板に一体に結合していることを特徴とする請求項１または２記載の三軸加速度センサー。
【請求項４】
前記発熱手段、前記測温手段が一つの白金測温抵抗体であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の三軸加速度センサー。
【請求項５】
前記発熱手段、前記測温手段は、半導体基板中に形成した抵抗体、およびダイオードであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の三軸加速度センサー。
【請求項６】
前記発熱手段、前記測温手段は、半導体基板中に形成した一つのダイオードであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の三軸加速度センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度センサーに関し、三軸方向の加速度を同時に測定可能な熱型加速度センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサーは、ロボット、自動車等の制御装置に加えて近年は携帯電話、歩数計等の様々の分野において加速度を測定する手段として広く用いられており、小型で測定精度の高いものが求められている。
加速度センサは、ＭＥＭＳと称される、半導体基板に半導体装置の製造と同様の工程を利用して製造するデバイスのひとつとして小型化した装置の利用が進んでおり、半導体基板上に検出手段を形成した熱式加速度センサーが提案されている（例えば，特許文献１参照）。
しかしながら、この熱式加速度センサーでは、半導体基板上に酸化膜等の熱伝導率の低い物質で作られた細長い梁を形成したものであった。その結果、小型で耐衝撃性等にも優れているものの以下の問題点があった。
すなわち、１．Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸全ての方向の加速度を直接測定するものでなく、Ｚ軸成分の値によっては、Ｘ軸、Ｙ軸成分の測定値が小さくなる可能性がある。２．クロストークの影響で、加速度方向の検出精度が一定でなく、偏りやムラが生じる。３．傾き検出は、Ｘ−Ｙ平面における傾き検出のみが可能である。
【０００３】
また、以上のようなＺ軸の測定値の感度が小さいという問題点を増幅器を用いて解消した熱式加速度センサーが提案されている（例えば，特許文献２参照）。
しかしながら、この熱式加速度センサーでも、Ｚ軸成分の値によっては、Ｘ軸、Ｙ軸成分の測定値が小さくなる可能性がある。クロストークの影響で、加速度方向の検出精度が一定でなく、偏りやムラが生じる。熱式加速度センサーをどの方向へ向けても鉛直方向に対する傾き検出が可能であるが校正が必要であるという、問題点があった。
また、半導体基板上に半導体製造プロセスを用いて製造した小型の加速度センサーが提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、加速度によって移動する検出電極と対極との間に形成される静電容量変化を検出するものであって、検出電極には、加速度を検出するための錘を設けたアーム、カンチレバー構造を有しているために、強度的な面での問題があった。
【０００４】
一方、ヒーターにより筐体内に熱気流を発生させ、加速度による対流の変化を測定する熱式加速度センサーについても半導体基板上に作製したものが開発され、携帯電話、デジタルスチルカメラ等の小型機器等に利用されているが、二つの二軸加速度センサーを用いたものであって、三軸同時に加速度を測定するものではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−６５８５０号公報
【特許文献２】特開２００５−３５１８９２公報
【特許文献３】特許第３３２７５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ともに同じ感度が得られ、各軸の検出値にクロストークがなく、３軸成分を完全分離して検出可能である熱式加速度センサーであって加速度方向の検出精度が一定となる熱式加速度センサーを提供することを課題とするものである。また、熱式加速度センサーをいずれの方向へ向けても鉛直方向に対する傾き検出の校正が不要な熱式加速度センサーを提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するものであって、単結晶シリコン基板を異方性エッチングによって貫通孔を形成した傾斜面を有する基板と、単結晶シリコン基板を異方性エッチングによって凹部を形成した傾斜面を有する基板のそれぞれの複数枚を積層して前記貫通孔と前記凹部によって形成した測定空間と、前記測定空間にいずれかの基板に一体に形成した前記測定空間に位置する複数の発熱手段と複数の測温手段とを設けた三軸加速度センサーである。
前記測定空間の中心と中心が一致する正八面体の頂点に位置するように発熱手段および測温手段を配置した前記の三軸加速度センサーである。
前記発熱手段、前記測温手段がシリコン基板に一体に結合している前記の三軸加速度センサーである。
前記発熱手段、前記測温手段が一つの白金測温抵抗体である前記の三軸加速度センサーである。
前記発熱手段、前記測温手段は、半導体基板中に形成した抵抗体、およびダイオードである前記の三軸加速度センサーである。
前記発熱手段、前記測温手段は、半導体基板中に形成した一つのダイオードであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の三軸加速度センサー。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、単結晶シリコン基板の異方性エッチングによって形成した空間に発熱手段、測温手段を配置したので、対称性が優れており、三軸のすべての方向について、正と負の加速度を直接検出することが可能であって、高精度の加速度の検出が可能な三軸加速度センサーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の熱式加速度センサーの実施形態を説明する図であり、基板に垂直な面で切断した断面図である。
【図２】図２は、本発明の熱式加速度センサーについて図１の実施形態の各シリコン基板を、図１の上方から下方へ見た平面図である。
【図３】図３は、図１、図２で説明した熱式加速度センサーの製造工程を説明する断面図である。
【図４】図４は、本発明の熱式加速度センサーの他の実施形態を説明する図であって、発熱測温手段の少なくともいずれか一方は半導体のＰＮ接合によって作製した例を説明する断面図である。
【図５】図５は、図４の実施形態の各シリコン基板を、図４の上方から下方へ見た平面図である。
【図６】図６は、発熱測温手段の一実施例を説明する図であり、図５（Ｄ）で示す、Ｄ−１の部分の発熱測温手段を詳細に説明する図である。図６（Ａ）は平面図を示し、図６（Ｂ）は、Ａ−Ａ線の断面図を示す。
【図７】図７は、発熱測温手段の一実施例を説明する図であり、図４で示すシリコン基板１４０に発熱測温手段を設けた例を説明する図である。
【図８】図８は、図４、図５で説明した熱式加速度センサーの製造工程を説明する図である。
【図９】図９は、図２で説明した白金抵抗測温体等の発熱測温手段を用いた例を説明する図である。
【図１０】図１０は、他の測温，発熱手段を用いた加速度検出過程を説明する図であって、ＰＮ接合ダイオードとＰ型拡散抵抗を利用したものである。
【図１１】図１１は、ＰＮ接合ダイオードを発熱および温度検出手段とした加速度検出手段を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、シリコン基板の異方性エッチングによって作製した凹部、貫通孔を有する基板の複数枚を積層することによって形成される空間を測定空間に利用した熱加速度センサーである。シリコンの異方性エッチングによって形成される空洞、および貫通孔を有するシリコン基板の積層によって形成される測定空間に発熱手段、測温手段を配置した場合には、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ともに同じ感度が得られ、各軸の検出値にクロストークがなく、３軸成分を完全分離して検出可能である加速度センサーであって加速度方向の検出精度が一定となる熱式加速度センサーが得られることを見いだしたものである。
【００１１】
以下、本発明の実施形態について，詳細に説明する。
図１は、本発明の熱式加速度センサーの実施形態を説明する図であり、基板に垂直な面で切断した断面図である。
図１に示す熱式加速度センサー１は、結晶方向が（１００）面のシリコン基板１１０、１２０、１３０、１４０を半導体製造プロセスによって加工した後に積層して内部空間２００を形成したものである。
各シリコン基板１１０、１２０、１３０、１４０は、それぞれシリコン支持層１１０ａ、１２０ａ、１３０ａ，１４０ａ、埋め込み酸化膜層１１０ｂ、１３０ｂ，１４０ｂ、シリコン層１１０ｃ、１３０ｃ，１４０ｃが形成されており、両面には、酸化膜層１１０ｄ、１１０ｅ、１２０ｄ，１２０ｅ、１３０ｄ，１３０ｅ，１４０ｄ，１４０ｅを形成した基板である。
【００１２】
図１では各シリコン基板相互の関係をわかりやすくするために間隔を設けて表現しているが、各基板は、密着して接合されて内部に測定空間２００が形成されている。
シリコン基板１１０、１４０には、それぞれ凹部２１０、２４０が形成されて、各凹部の内部には、基板と一体に作製した発熱測温手段３１０ａ、３１０ｆが配置されている。
シリコン基板１２０、１３０には、それぞれ貫通孔２２０、２３０が形成されており、シリコン基板１３０には、基板と一体に形成され、凹部に周囲の部材から延びた梁状の部材上に発熱測温手段３１０ｂ（図示しない）、３１０ｃ、３１０ｄ（図示しない）、３１０ｅが配置されている。
【００１３】
また、本発明の熱式加速度センサーは、内部の空間と外部とを通気孔（図示せず）を設けて内部空間と外部の空気等が通気するものとすることができる。これによって、周囲温度の上昇時にも内部空間の圧力増加対策が不要となる。
一方、内部空間を密閉することによって、内部空間を空気以外の気体を満たして密閉することもできる。例えば、空気に比べて熱伝導率が小さな気体を封入して密閉した場合には、発熱手段の周辺から内部空間の気体のほうへは熱が伝達し難くなり、発熱手段の周辺の熱分布の広がりは小さくなるため、加速度感度の調整が可能となる。具体的には空気に熱伝導率が１／５のキセノンを使用し、空気とキセノンの混合比を調整する方法が挙げられる。
【００１４】
図２は、本発明の熱式加速度センサーについて図１の実施形態の各シリコン基板を、図１の上方から下方へ見た平面図である。
図２（Ａ）は、図１に示すシリコン基板１１０の平面図である。
図２（Ａ）において、結晶方向は、矢印Ａで示す方向が  ＜１１０＞方向である。また、Ａ−１で示す部分、すなわち発熱測温手段３１０ａを形成した部分を図２（Ａ−１）に拡大図を示す。
図１の凹部２１０に位置する発熱測温手段３１０ａは、周囲の基板から梁状に延びた橋状部１１０ｆに形成されている。また、発熱測温手段３１０ａへの接続は、シリコン基板面にスパッタリングによって導電性膜を形成した配線１１５ａ、１１５ｂによって形成されている。
図２（Ｂ）は、図１に示すシリコン基板１２０の平面図である。結晶方向は、矢印Ａで示す方向が  ＜１１０＞方向である。
シリコン基板１２０は、貫通孔２２０を有しており、シリコン基板１１０に形成した配線１１５ａ、１１５ｂに接続する配線接続部１２５ａ、１２５ｂを有している。
【００１５】
図２（Ｃ）は、図１のシリコン基板１３０を説明する平面図である。また、Ｃ−１で示す部分、すなわち発熱測温手段３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅを形成した部分を図２（Ｃ−１）に拡大図を示す。
貫通孔２３０には周囲の基板からは延びた橋状部１３０ｆ１、１３０ｆ２、１３０ｆ３、１３０ｆ４が形成されており、それぞれの橋状部には、発熱測温手段３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅが形成されている。
各発熱測温手段は、シリコン基板１３０面にスパッタリングによって形成した配線１３５ｂ１、１３５ｂ２、１３５ｃ１、１３５ｃ２、１３５ｄ１、１３５ｄ２、１３５ｅ１、１３５ｅ２に接続されている。
図２（Ｄ）は、図１におけるシリコン基板１４０を説明する平面図である。結晶方向は、矢印Ａで示す方向が  ＜１１０＞方向である。
また、Ｄ−１で示す部分、すなわち発熱測温手段３１０ｆを形成した部分を図２（Ｄ−１）に拡大図を示す。
発熱測温手段３１０ｆは、凹部２４０に周囲の基板から梁状に延びた橋状部１４０ｆに形成されており、発熱測温手段３１０ｆへの配線は、シリコン基板面にスパッタリングによって形成した配線１４５ａ、１４５ｂに接続されている。
【００１６】
シリコン基板１１０の面を水平に配置した場合には、それぞれの発熱測温手段からの出力のうちＸ軸方向は、配線１３５ｃ１と１３５ｅ２から取り出し、Ｙ軸方向は、配線１３５ｂ２と１３５ｄ２から取り出し、Ｚ軸方向は、配線１１５ａと１４５ｂから取り出すことができる。
以上の様に、Ｘ、Ｙ、Ｚの三軸方向の出力を全て相互に影響を受けることなく取り出すことができるので、熱加速度センサーを高精度化、高信頼性化するとともに、微細化が可能となる。
【００１７】
図３は、図１、図２で説明した熱式加速度センサーの製造工程を説明する断面図であり、図１に示したシリコン基板１４０について説明する。他のシリコン基板についても同様に行うことができる。以下に、工程順に説明する。
図３（Ａ）に示すように、シリコン支持層１４０ａ、埋め込み酸化膜層１４０ｂを有する所望の大きさのＳＯＩ基板からなるシリコン基板１４０を準備する。
図３（Ｂ）に示すように、シリコン基板１４０の両面を酸化雰囲気で加熱し、両面に酸化膜層１４０ｄ，１４０ｅを形成する。
【００１８】
図３（Ｃ）に示すように、上面にレジストパターンを形成した後に、表面の酸化膜層およびＳＯＩ層を等方性エッチングすることによって、測定空間形成部２０５および発熱測温手段形成部３００を作製する。
図３（Ｄ）に示すように、酸化雰囲気において熱処理を行って発熱測温手段形成部３００の側面に酸化膜層３０１を形成する。
図３（Ｅ）に示すように、発熱測温手段形成部３００の表面に発熱測温手段となる白金膜３０２を形成する。
【００１９】
次いで、図３（Ｆ）に示すように、レジストを塗布して測定空間形成部２０５に位置する酸化膜層のみを等方性エッチングを行って酸化物層を除去する。
更に図３（Ｇ）に示すように、アルカリ性エッチング液を用いてシリコン支持層１４０ａに対して異方性エッチングを行い、測定空間の凹部２４０を形成する。
以上の様にして作製した各シリコン基板を積層し、本発明の熱式加速度センサーを作製することができる。
また、以上の説明では、単一の熱式加速度センサーの製造工程を説明したが、半導体集積回路を形成した半導体装置の製造方法と同様に、それぞれの工程では、母材のシリコン基板の大きさに応じて複数個の構成部材を同時に作製することができる。
【００２０】
図４は、本発明の熱式加速度センサーの他の実施形態を説明する図であって、発熱測温手段の少なくともいずれか一方は半導体のＰＮ接合によって作製した例を説明する断面図である。
図４に示す熱式加速度センサー１は、結晶方向が（１００）面のシリコン基板１１０、１２０、１３０、１４０を半導体製造プロセスによって加工した後に積層して内部空間２００を形成したものである。
各シリコン基板１１０、１２０、１３０、１４０は、それぞれシリコン支持層１１０ａ、１２０ａ、１３０ａ，１４０ａ、埋め込み酸化膜層１１０ｂ、１３０ｂ、１４０ｂ、シリコン層１１０ｃ、１３０ｃ、１４０ｃが形成されており、両面には、酸化膜層１１０ｄ、１１０ｅ、１２０ｄ，１２０ｅ、１３０ｄ、１３０ｅ、１４０ｄ、１４０ｅを形成した基板である。
【００２１】
図４では各シリコン基板相互の関係をわかりやすくするために間隔を設けて表現しているが、各基板は密着して接合されて内部に測定空間２００が形成されている。
シリコン基板１１０、１４０には、それぞれ凹部２１０、２４０が形成されて、各凹部の内部には、基板と一体に作製した発熱測温手段４１０ａ、４１０ｆが配置されている。
シリコン基板１２０、１３０には、それぞれ貫通孔２２０、２３０が形成されており、シリコン基板１３０には、基板と一体に形成されて凹部に周囲の部材から延びた梁状の部材上に発熱測温手段４１０ｂ（図示しない）、４１０ｃ、４１０ｄ（図示しない）、４１０ｅが配置されている。
これらの発熱手段、測温手段の少なくともいずれか一方は、ＰＮ接合によって形成されたものである。
【００２２】
図５は、図４の実施形態の各シリコン基板を、図４の上方から下方へ見た平面図である。
図５（Ａ）は、図４に示すシリコン基板１１０の平面図である。図５（Ａ）において、結晶方向は、矢印Ａで示す方向が  ＜１１０＞方向である。また、Ａ−１で示す部分、すなわち発熱測温手段３１０ａを形成した部分を図５（Ａ−１）に拡大図を示す。
凹部２１０には、発熱測温手段３１０ａが周囲の基板から梁状に延びた橋状部１１０ｆに形成されている。また、発熱測温手段３１０ａへの配線は、シリコン基板面にスパッタリングによって形成した配線２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ、２１５ｄに接続されている。
【００２３】
図５（Ｂ）は、図１で示すシリコン基板１２０の平面図である。結晶方向は、矢印Ａで示す方向が  ＜１１０＞方向である。
シリコン基板１２０は貫通孔２２０を有しており、シリコン基板１１０に形成した配線２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ、２１５ｄに接続する配線接続部２２５ａ、２２５ｂ、２２５ｃ、２２５ｄを有している。
【００２４】
図５（Ｃ）は、図４におけるシリコン基板１３０を説明する平面図である。また、Ｃ−１で示す部分、すなわち発熱測温手段３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０eを形成した部分を図５（Ｃ−１）に拡大図を示す。
貫通孔２３０には周囲の基板からは延びた橋状部１３０ｆ−１，１３０ｆ−２，１３０ｆ−３，１３０ｆ−４が形成されており、それぞれの橋状部には、発熱測温手段３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０eが形成されている。
各発熱測温手段は、シリコン基板１３０面にスパッタリングによって形成した配線２３５ｂ１〜２３５ｂ４、２３５ｃ１〜２３５ｃ４、２３５ｄ１〜２３５ｄ４、２３５e１〜２３５ｅ４に接続されている。
【００２５】
図５（Ｄ）は、図１におけるシリコン基板１４０を説明する平面図である。結晶方向は、矢印Ａで示す方向が  ＜１１０＞方向である。
また、Ｄ−１で示す部分、すなわち発熱測温手段３１０ｄを形成した部分を図５（Ｄ−１）に拡大図を示す。
発熱測温手段３１０ｄは、凹部２４０に周囲の基板から梁状に延びた橋状部１４０ｆに形成されており、発熱測温手段３１０ｄへの配線は、シリコン基板面にスパッタリングによって形成した配線２４５ａ、２４５ｂ、２４５ｃ、２４５ｄに接続されている。
【００２６】
各発熱測温手段からの出力は、Ｘ軸方向は、配線２３５ｃ３と２３５ｅ３から取り出し、Ｙ軸方向は、配線２３５ｂ１と２３５ｄ３から取り出し、Ｚ軸方向は、配線２１５ｂと２４５ｂから取り出すことができる。
以上の様に、Ｘ、Ｙ、Ｚの三軸方向の出力を相互に影響を受けることなく取り出すことができるので、熱加速度センサーを微細化、高精度化、高信頼性化することが可能となる。
【００２７】
図６は、発熱測温手段の一実施例を説明する図であり、図５（Ｄ）で示す、Ｄ−１の部分の発熱測温手段を詳細に説明する図である。図６（Ａ）は平面図を示し、図６（Ｂ）は、Ａ−Ａ線の断面図を示す。
発熱測温手段４１０ｂは、ＰＮ接合ダイオード４１０Ｐによる測温手段と半導体中に不純物を拡散させた抵抗体４１０Ｒからなる発熱手段で構成されている。
Ｎ型基板を用いてＰ型拡散層２４６ａ、２４６ｂを形成したものである。その結果、ＰＮ接合ダイオードのＰ型の部分が２４６ａに形成されるので、半導体基板上に形成した金属膜２４５ａ、２４５ｄの間にＰＮ接合ダイオードが形成される。ＰＮ接合に一定バイアス電圧を印加すると、電流は絶対温度の逆数に対して指数関数的に変化するため、電流を検出することで高感度な温度センサーとして利用できる。
また、Ｐ型拡散層２４６ｂによって半導体基板に所望の抵抗値の抵抗体４１０Ｒを形成することができるので、Ｐ型拡散層に電流を通電することによって発熱手段とすることができる。
【００２８】
図７は、発熱測温手段の一実施例を説明する図であり、図４で示すシリコン基板１４０に発熱測温手段を設けた例を説明する図である。
発熱測温手段４１０ｄは、ＰＮ接合ダイオードから構成されており、Ｎ型のシリコン基板１４０に設けた凹部２４０に周囲の基板から梁状に延びた橋状部１４０ｆに形成されている。発熱測温手段４１０ｄへの配線は、シリコン基板面にスパッタリングによって形成した配線１４５ａ、１４５ｂに接続されている。
ＰＮ接合ダイオードは、Ｎ型であるシリコン基板１４０にＰ型不純物をドープしたＰ型拡散層１４６ａを設けることによって作製することができる。
本発明の発熱測温手段４１０ｄ、ＰＮ接合に印加する電圧および電流の値によって温度検出を行うことができる。
【００２９】
図８は、図４、図５で説明した熱式加速度センサーの製造工程を説明する図であり、図４に示したシリコン基板１４０について説明する。他のシリコン基板についても同様に行うことができる。以下に、工程順に説明する。
図８（Ａ）に示すように、シリコン支持層１４０ａ、埋め込み酸化膜層１４０ｂを有する所望の大きさのＳＯＩ基板からなるシリコン基板１４０を準備する。
図８（Ｂ）に示すように、シリコン基板１４０の両面を酸化雰囲気で加熱し、両面に酸化膜層１４０ｄ，１４０ｅを形成する。
【００３０】
次に、図８（Ｃ）に示すように、上面にレジストパターンを形成した後に、表面の酸化膜層およびＳＯＩ層を等方性エッチングすることによって、測定空間形成部２０５および発熱測温手段形成部３００を作製する。
図８（Ｄ）に示すように、酸化雰囲気において熱処理を行ってエッチングによって露出したシリコン面に酸化膜層１４０ｇを形成する。
図８（Ｅ）に示すように、レジストパターンを形成した後に表面の酸化物層を一部除去し、Ｎ型シリコン層にＰ型拡散層２４６ａを形成する。
図８（Ｆ）に示すように、レジストパターンを形成した後に表面の酸化物層を一部除去した後に、電極の形状に金属膜２４５ａ、２４５ｄを形成する。その結果、ＰＮ接合ダイオードのＰ型の部分が２４６ａに形成されるので、半導体基板上に形成した金属膜２４５ａ、２４５ｄの間にＰＮ接合ダイオードが形成される。
ＰＮ接合に一定バイアス電圧を印加すると、電流は絶対温度の逆数に対して指数関数的に変化するため、電流を検出することで高感度な温度センサーとして利用できる。
また、Ｐ型拡散層２４６ｂによって半導体基板に所望の抵抗値の抵抗体４１０Ｒを形成することができるので、Ｐ型拡散層に電流を通電することによって発熱手段とすることができる。
【００３１】
次いで、図８（Ｇ）に示すように、レジストを塗布して測定空間形成部２０５に位置する酸化膜層のみを等方性エッチングを行って酸化物層を除去する。
更に図８（Ｈ）に示すように、アルカリ性エッチング液を用いてシリコン支持層１４０ａに対して異方性エッチングを行い、測定空間の凹部２４０を形成する。
以上の様にして作製した各シリコン基板を積層し、本発明の熱式加速度センサーを作製することができる。
また、以上の説明では、単一の熱式加速度センサーの製造工程を説明したが、半導体集積回路を形成した半導体装置の製造方法と同様に、それぞれの工程では、母材のシリコン基板の大きさに応じて複数個の構成部材を同時に作製することができる。
【００３２】
以下に、加速度検出過程についてブロック図を参照して説明する。
図９は、図２で説明した白金抵抗測温体等の発熱測温手段を用いた例を説明する図である。
Ｘ軸方向の発熱測温手段３１０ｃ、３１０ｅには、それぞれ定温度回路４０１ｃ、４０１ｅが接続されており、発熱測温手段３１０ｃ、３１０ｅを含むブリッジ回路に電流を通電している。ブリッジ回路の平衡の検出によって温度が一定であると判断することができる。また、差動増幅器５０１ｃ、５０１ｅを用いて、発熱測温手段３１０ｃ、３１０ｅに印加する電圧Ｖｈを制御することによって定温度回路として動作させることができる。
【００３３】
Ｘ軸方向を３１０ｃから３１０ｅの方向とした場合、Ｘ軸方向に加速度を印加すると、発熱測温手段３１０ｃ、３１０ｅの周辺の空間における熱分布は、それぞれ加速度と同じ方向となるＸ軸方向へ偏移する。そのため、発熱測温手段３１０ｃの周辺の熱は逃げ易くなり、温度を一定に保つためには、より多くの印加電圧Ｖｈを印加しなければならなくなる。一方、発熱測温手段３１０ｅの周辺の熱は逃げ難くなり、温度を一定に保つためには、より少ない印加電圧Ｖｈで済ませることができる。そうなると、発熱測温手段３１０ｃの印加電圧Ｖｈに相当するＶ−ｘが大きくなり、発熱測温手段３１０ｅの印加電圧Ｖｈに相当するＶ＋ｘが小さくなる。
このように、Ｘ軸方向の加速度に対して、発熱測温手段３１０ｃ、３１０ｅのそれぞれにおいてＶ−ｘとＶ＋ｘとを出力するので、加速度演算回路５０１ｘからＸ軸方向の加速度αｘが得られる。
【００３４】
Ｙ軸方向についても同様に、発熱測温手段３１０ｂ、３１０ｄには、それぞれ定温度回路４０１ｂ、４０１ｄが接続されており、発熱測温手段３１０ｂ、３１０ｄを含むブリッジ回路に電流を通電している。
Ｙ軸方向を３１０ｄから３１０ｂの方向とした場合、Ｙ軸方向に加速度を印加すると、発熱測温手段３１０ｄ、３１０ｂの周辺の空間における熱分布は、それぞれ加速度と同じ方向となるＹ軸方向へ偏移する。そのため、発熱測温手段３１０ｄの周辺の熱は逃げ易くなり、温度を一定に保つためには、より多くの印加電圧Ｖｈを印加しなければならなくなる。一方、発熱測温手段３１０ｂの周辺の熱は逃げ難くなり、温度を一定に保つためには、より少ない印加電圧Ｖｈで済ませることができる。そうなると、発熱測温手段３１０ｄの印加電圧Ｖｈに相当するＶ−ｙが大きくなり、発熱測温手段３１０ｂの印加電圧Ｖｈに相当するＶ＋ｙが小さくなる。
このように、Ｙ軸方向の加速度に対して、発熱測温手段３１０ｄ、３１０ｂのそれぞれにおいてＶ−ｙとＶ＋ｙとを出力するので、加速度演算回路５０１ｙからＹ軸方向の加速度αｙが得られる。
【００３５】
また、Ｚ軸方向についても、発熱測温手段３１０ａ、３１０ｆには、それぞれ定温度回路４０１ａ、４０１ｆが接続されており、発熱測温手段３１０ａ、３１０ｆを含むブリッジ回路に電流を通電している。
Ｚ軸方向を３１０ｆから３１０ａの方向とした場合、Ｚ軸方向に加速度を印加すると、発熱測温手段３１０ｆ、３１０ａの周辺の空間における熱分布は、それぞれ加速度と同じ方向となるＺ軸方向へ偏移する。そのため、発熱測温手段３１０ｆの周辺の熱は逃げ易くなり、温度を一定に保つためには、より多くの印加電圧Ｖｈを印加しなければならなくなる。一方、発熱測温手段３１０ａの周辺の熱は逃げ難くなり、温度を一定に保つためには、より少ない印加電圧Ｖｈで済ませることができる。そうなると、発熱測温手段３１０ｆの印加電圧Ｖｈに相当するＶ−ｚが大きくなり、発熱測温手段３１０ａの印加電圧Ｖｈに相当するＶ＋ｚが小さくなる。
このように、Ｚ軸方向の加速度に対して、発熱測温手段３１０ｆ、３１０ａのそれぞれにおいてＶ−ｚとＶ＋ｚとを出力するので、加速度演算回路５０１ｚからＺ軸方向の加速度αｚが得られる。
以上の様にして、熱式加速度センサーは、発熱手段の温度が一定となるように通電して発熱させて、その上流側、下流側に配置した測温手段によって温度を測温して、上流側と下流側のそれぞれの出力の差分から加速度を検出することができるので、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向すべての加速度の正確な測定が可能となる。
【００３６】
本発明において加速度検出方法には、発熱手段の温度を一定とする方法、各発熱手段に通電する電流値又は電圧値を一定とする方法のいずれの方法によっても検出することができる。
発熱手段に通電する電流値、電圧値を一定とする方法は温度制御回路を必要としないので、温度検出回路を簡単なものとすることができる。
一方、発熱手段の温度を一定とする方法は、周囲温度が上昇した場合においても、発熱手段の温度が予め設定した温度を超えることがないため、発熱手段の過熱防止手段を別途設ける必要がない。このため、白金薄膜抵抗、半導体拡散抵抗、およびダイオードにおいて、素子の劣化や破損を防ぐことが可能となる。また、発熱手段の温度が１２０℃付近において、湿度に対して熱伝導率がほぼ一定となる領域を利用すると、周囲環境の湿度の影響を受けることなく加速度検出が可能となる。
【００３７】
発熱手段の温度を一定にするための印加電圧は、周囲温度が上昇するにつれて、少なくて済むため、それとともに加速度感度も小さくなっていく。そのため、周囲温度も検出しながら、加速度出力を補正することが必要となる。
周囲温度も検出しながら発熱手段を一定温度に保持するためには、発熱手段に間欠的に通電して、温度応答性良く制御する方法が挙げられる。また、発熱手段は熱応答性に優れた極薄ブリッジ状に形成することが望ましく、小型化によって低消費電力化が実現できる。
測定空間の内部の熱を外部に放熱させ、さらに測定空間外部の温度が内部に伝わりやすくするために、基板材料および測定容器に用いる材料はシリコン基板などの熱伝導率の高い材料で構成させるともに、測定空間内部の体積は極力小さくし熱容量を抑えることが望ましく、これにより熱式加速度センサーの応答性能も向上する。
【００３８】
図１０は、他の測温，発熱手段を用いた加速度検出過程を説明する図であって、ＰＮ接合ダイオードとＰ型拡散抵抗を利用したものである。
図１０は、図６で示した金属膜２４５ｂ、２４５ｄの間に形成されるＰＮ接合ダイオード４１０ＰとＰ型拡散抵抗４１０Ｒを利用したものである。
ＰＮ接合に一定バイアス電圧を印加すると、電流は絶対温度の逆数に対して指数関数的に変化するため、電流を検出することで高感度な温度センサーとして利用できる。同様にＰ型拡散層２４６ｂによって半導体基板に所望の抵抗値の半導体拡散抵抗体４１０Ｒを形成しているので、Ｐ型拡散層に電流を通電することによって発熱手段とすることができる。
ここでは、ＰＮ接合ダイオードに逆方向バイアスを印加したときの電流値を演算増幅器の電圧出力Ｖ0として検出し、この状態で一定温度であると判断する。
更に得られた電圧出力が常にＶ0＝Ｖｓとなるように差動増幅器を用いて半導体拡散抵抗に印加される電圧Ｖｈを制御して定温度回路として動作させることで、図９の抵抗測温抵抗体を用いた場合と同様に加速度の検出が可能となる。
以上の説明では、Ｘ軸方向についての説明を行ったがＹ軸、Ｚ軸方向も同様に行うことができる。
【００３９】
次に、ＰＮ接合ダイオードを用いた温度測定手段を用いた他の測定方法について説明する。
ＰＮ接合ダイオードの順方向電流Ｉは、以下の式１で表されることが知られている。
式１ Ｉ＝Ｉs(T)(Exp(ｑＶF／ｎｋＴ）−１）
ここで、Ｉs（Ｔ）：逆方向飽和電流、ｑ：電荷素量、ＶF：順方向電圧、ｎ：理想係数、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度
ｑＶF＞＞ｎｋＴであれば、式１は以下の式２次のように近似できる。
式２ Ｉ≒Ｉs(T)Exp(ｑＶF／ｎｋＴ）
次に、式２をＶFで微分し、Ｔを求める式に変形すると式３が得られる。
式３  Ｔ＝（ｑ／ｎｋ）・Ｉ・（ΔＶF／ΔＩ）
式３において、ΔＶFが一定となるようにして、Ｉ／ΔＩを測定すると、Ｔ∝Ｉ／ΔＩなる関係が得られる。この関係において、比例定数をβとすると式４が得られる。
式４  Ｔ＝（ｑ／ｎｋ）・Ｉ・（ΔＶF／ΔＩ）＝β（Ｉ／ΔＩ）
ただし、β＝（ｑ／ｎｋ）ΔＶF
以上のように、式４によってＩ／ΔＩを測定することにより、ＰＮ接合の絶対温度Ｔを求めることができる。
【００４０】
図１１は、ＰＮ接合ダイオードを発熱および温度検出手段とした加速度検出手段を説明する図である。
発熱手段、および温度検出手段として動作するＰＮ接合ダイオード４２０ａ、４２０ｂには、矩形波発振回路６０１ｃ，６０１ｅの一定振幅の電圧ΔＶFと、演算回路の温度出力電圧を加算回路６０２ｃ，６０２ｅで加えた電圧をダイオードに印加した状態で、ダイオードの電流値の直流分：Ｉを直流分検出回路６０３ｃ，６０３ｅで検出する。同様にダイオードの電流値の交流分：ΔＩを・交流分検出回路６０４ｃ，６０４ｅで検出し、除算回路６０５ｃ，６０５ｅによって演算して、Ｉ／ΔＩに比例した出力電圧Ｖ0を得ることができる。
出力電圧Ｖ0は式４のように絶対温度に比例するので、出力電圧Ｖ0の大きさが一定となるように制御を行うことで、温度制御回路が実現できる。
【００４１】
すなわち、順方向バイアス電圧ＶFと矩形波電圧ΔＶFの重畳電圧をＰＮ接合ダイオードに印加したときの電流値において、直流分Ｉを交流分ΔＩで除算したものを演算増幅器の電圧出力Ｖ0として検出し、この状態で一定温度であると判断する。
更に得られた電圧出力が常にＶ0＝Ｖｓとなるように差動増幅器を用いてＰＮ接合ダイオードに印加される順方向バイアス電圧ＶＦを制御して、定温度回路として動作させることで、図９の抵抗測温抵抗体を用いた場合と同様に加速度の検出が可能となる。
以上の説明では、Ｘ軸方向についての説明を行ったがＹ軸、Ｚ軸方向も同様に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、結晶シリコン基板の異方性エッチングによって形成した空間に発熱手段、測温手段を配置したので、対称性が優れており、三軸方向すべてについて、正と負の加速度を直接検出することが可能であって、高精度の三軸加速度の測定に利用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１… 熱式加速度センサー、１１０，１２０，１３０，１４０…シリコン基板，１１０ａ，１２０ａ，１３０ａ，１４０ａ…シリコン支持層、１１０ｂ，１２０ｃ，１３０ｂ，１４０ｂ…埋め込み酸化膜層，１１０ｃ１３０ｃ，１４０ｃ…シリコン層、１１０ｄ，１１０ｅ，１２０ｄ，１２０ｅ，１３０ｄ，１３０ｅ，１４０ｄ，１４０ｅ…酸化膜層、１１５ａ，１１５ｂ，１４５ａ，１４５ｂ…配線、１２５ａ，１２５ｂ…配線接続部、１１０ｆ、１３０ｆ１，１３０ｆ２，１３０ｆ３，１３０ｆ４、１４０ｆ…橋状部，１３５ｂ１，１３５ｂ２，１３５ｃ１，１３５ｃ２，１３５ｄ１，１３５ｄ２，１３５ｅ１，１３５ｅ２配線、２００…内部空間、２０５…測定空間形成部、２１０，２４０…凹部、２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃ，２１５ｄ…配線，２２５ａ，２２５ｂ，２２５ｃ，２２５ｄ…配線接続部、２２０，２３０…貫通孔、２３５ｂ１〜２３５ｂ４，２３５ｃ１〜２３５ｃ４，２３５ｄ１〜２３５ｄ４，２３５e１〜２３５ｅ４…配線、２４５ａ，２４５ｂ，２４５ｃ，２４５ｄ…配線、３００…発熱測温手段形成部、３０１…酸化膜層、３０２…白金膜、３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ，３１０ｄ，３１０ｅ，３１０ｆ，４１０ａ，４１０ｂ，４１０ｃ，４１０ｄ，４１０ｅ，４１０ｆ…発熱測温手段、２４６ａ，２４６ｂ…Ｐ型拡散層、４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ、４０１ｄ，４０１ｅ，４０１ｆ…定温度回路、４１０Ｐ…ＰＮ接合ダイオード、４１０Ｒ…Ｐ型拡散抵抗、４２０ａ、４２０ｂ・・・温度検出ダイオード、５０１ｃ，５０１ｅ…差動増幅器、５０１ｘ…加速度演算回路、６０１ｃ，６０１ｅ・・矩形波発振回路、６０２ｃ，６０２ｅ・・・加算回路、６０３ｃ，６０３ｅ・・・交流分検出回路、６０４ｃ，６０４ｅ・・・直流分検出回路、６０５ｃ，６０５ｅ・・・除算回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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